Python mmap基礎教程

1. 引言

mmap是Python中一種用於操作文件的標準庫方法，它可以將一個文件映射至內存，讓我們可以通過內存訪問文件的內容，進行隨機讀寫操作。這對於文件較大的情況非常有用，比如我們需要讀取一個非常大的日誌文件，可以無需一次性將整個文件讀入內存，而是將需要讀取的部分直接映射至內存中，進行讀取，不僅能減輕內存負擔，還能提高文件的讀寫速度，從而提高程序的性能。

本篇教程將會詳細介紹Python中使用mmap庫進行文件操作的方法和步驟，讓讀者能夠通過學習本文，獲得使用mmap庫處理文件的知識和技巧。

2. mmap基礎概念

在介紹mmap庫的具體使用前，我們需要先了解一下內存映射文件的基本概念。

mmap，全稱為Memory-Mapped Files，即”內存映射文件”，是一種通過將一個文件或設備映射至進程地址空間，讓文件或設備可以被看作一片內存來使用的技術。映射後的文件數據存放在虛擬內存中，而不是在真實的內存中，只有在需要訪問對應數據時才會被裝入真實的內存中。

在Python中，我們可以使用mmap庫來實現對文件的內存映射，從而進行文件的讀取和寫入操作。對於讀取較大文件、對文件進行隨機讀寫操作等場景，使用mmap庫可以極大地提高讀寫效率，節省內存空間。

3. mmap庫基礎用法

3.1 打開文件

要使用mmap庫進行文件映射，首先需要打開對應的文件。打開文件的代碼示例如下：

import mmap

with open("file.txt", "r") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（位元組數）
    size = f.tell()
    # 回到文件頭
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)

其中，open()函數用於打開要操作的文件，以只讀方式打開文件時，第二個參數需要傳入”r”，以讀寫方式打開文件時，傳入”w”。調用fileno()方法可以獲得文件的文件描述符，然後調用mmap()函數進行映射。映射成功後，可以通過mm[index]或mm[start:end]來訪問文件中對應的數據。

3.2 讀取文件

在文件映射成功後，可以通過mm[:]或每次只映射一部分文件再進行讀取，來訪問文件的內容。

下面是讀取整個文件的示例代碼：

import mmap

with open("file.txt", "r") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（位元組數）
    size = f.tell()
    # 回到文件頭
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)

    # 讀取整個文件
    print(mm[:])

    # 關閉映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代碼中，我們先打開文件並將文件映射至內存中，然後使用mm[:]來讀取整個文件，最後關閉映射和文件。

下面是每次只映射一部分文件再讀取的示例代碼：

import mmap

with open("file.txt", "r") as f:
    while True:
        # 一次讀取100位元組
        l = f.read(100)
        if not l:
            break
        # 映射
        mm = mmap.mmap(f.fileno(), 100, access=mmap.ACCESS_READ)
        print(mm[:])
        mm.close()

在上面的示例代碼中，我們使用了read()函數每次讀取100位元組，並對每次讀取的數據進行映射和讀取。由於每次只映射一部分文件，因此在處理大文件時，可以用這種方法來分批處理。

3.3 寫入文件

在文件映射成功後，我們還可以直接修改內存中的數據，並將其寫入文件中。

下面是寫入文件的示例代碼：

import mmap

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（位元組數）
    size = f.tell()
    # 回到文件頭
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)
    # 修改文件內容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 將修改寫入文件
    mm.flush()
    # 關閉映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代碼中，我們首先將文件映射至內存中，然後使用mm[start:end]來修改內存中的數據。在寫入完成後，使用mm.flush()將修改寫入文件，最後關閉映射和文件。

4. mmap庫的進階用法

4.1 修改文件許可權

在使用mmap庫進行文件操作時，可能會出現文件許可權不足的情況，此時需要修改文件的許可權。可以使用os.chmod()函數來修改文件的許可權。

示例代碼如下：

import os
import mmap

# 修改文件許可權
os.chmod("file.txt", 0o777)

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（位元組數）
    size = f.tell()
    # 回到文件頭
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)
    # 修改文件內容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 將修改寫入文件
    mm.flush()
    # 關閉映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代碼中，我們使用os.chmod()函數修改了文件的許可權，然後用mmap庫對文件進行了修改。

4.2 非阻塞映射

在進行文件映射時，有時候會出現訪問文件鎖定的情況，進而導致程序阻塞。為了避免文件映射的阻塞，可以使用mmap.MAP_NORESERVE標誌位來進行非阻塞映射。

示例代碼如下：

import mmap

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（位元組數）
    size = f.tell()
    # 回到文件頭
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size, flags=mmap.MAP_SHARED | mmap.MAP_NORESERVE)
    # 修改文件內容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 將修改寫入文件
    mm.flush()
    # 關閉映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代碼中，我們使用mmap.MAP_NORESERVE標誌位進行了非阻塞映射，避免了文件鎖定導致的阻塞現象。

4.3 虛擬內存控制

虛擬內存控制是指在進行文件映射後，通過控制虛擬內存來控制文件的讀寫許可權和映射方式。可以使用mmap.PROT_READ/mmap.PROT_WRITE/mmap.PROT_EXEC/mmap.PROT_NONE標誌位來設置頁面的許可權。

示例代碼如下：

import mmap

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（位元組數）
    size = f.tell()
    # 回到文件頭
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size, prot=mmap.PROT_READ)
    # 修改文件內容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 將修改寫入文件
    mm.flush()
    # 關閉映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代碼中，我們使用mmap.PROT_READ標誌位設置了頁面的許可權為只讀，從而避免了對文件的篡改和誤操作。

5. 總結

本文介紹了Python中使用mmap庫進行文件操作的基本知識和技巧。mmap庫不僅能夠提高程序讀寫文件的效率，還能節省內存空間，因此在處理大文件時非常有用。在使用mmap庫進行文件操作時，需要注意許可權、阻塞、虛擬內存控制等問題，避免出現程序錯誤和不安全情況。